好氧颗粒污泥快速培养及稳定化应用研究进展

王政，刘建广，*，孙子惠，宋武昌

（1.山东建筑大学 市政与环境工程学院，山东 济南250101；2.光大水务（济南）有限公司，山东 济南250032；3.山东省城市供排水水质监测中心，山东 济南250014）

0 引言

颗粒污泥是具有自我平衡能力的微生物自凝聚体［1］，其特殊的生物特性对污染物具有良好的去除效果。组成颗粒污泥的微生物，根据代谢过程中接受电子受体的条件不同，可以分为好氧颗粒污泥和厌氧颗粒污泥2种。其中，好氧颗粒污泥是一种结构紧凑、沉降性能好，且具有同步脱氮除磷效果的微生物絮凝体。与普通活性污泥相比，好氧颗粒污泥不但具有良好的沉降性，能适应较强的冲击负荷，对难降解有机物的去除具有更好的去除效果，可有效抵御较高有机负荷和毒性物质［2］，而且可作为生物吸附剂去除污水中的重金属，还可将其用于印染废水及含有重金属的离子的废水处理过程中［3］。好氧颗粒污泥具有良好的生物沉降性能，可在较短的时间内泥水分离［4］，工艺选择上，可减少工艺的占地面积。目前，序批式反应器培养好氧颗粒污泥已经完成了由概念提出至技术改进再至工程应用3阶段的转化［5］，而连续流反应器培养好氧颗粒污泥还停留在概念提出至技术改进2阶段，并没有连续流态的好氧颗粒污泥工程建成。文章分析好氧颗粒污泥快速的培养的影响因素及稳定化应用的条件，总结国内外研究过程中存在的问题及难点所在，可为好氧颗粒污泥在工程中的应用提供理论依据。

1 好氧颗粒污泥快速培养的影响因素

好氧颗粒污泥的研究源于厌氧颗粒污泥，Mishima等用好氧升流式污泥床AUSB（Aerobic Upflow Sludge Blanket）第一次发现了具有良好的沉降性能，且粒径大小在2～8 mm之间的成熟好氧颗粒污泥［6］。Beun采用序批式反应器 SBR（Sequencing Batch Reactor），成功培养出好氧颗粒污泥，此后利用SBR反应器培养颗粒污泥得以广泛应用［7］。成熟好氧颗粒污泥在微环境下，可实现同步硝化反硝化、反硝化除磷，具有较高的生物脱氮除磷效果，可以有效解决污水处理厂脱氮除磷之间对碳源的竞争、污泥龄不同的矛盾，并且可以降低污水处理过程中的运行成本，但是如何能快速培养出成熟的颗粒污泥，是目前将其推广于工程应用的难点之一。好氧颗粒污泥的形成过程中受到反应器的运行方式、水力条件、载体、进水基质、胞外多聚物等因素的影响，现分析各因素在好氧颗粒污泥形成过程的影响程度，筛选出制约其快速形成的关键影响因素。

1.1 反应器运行方式

反应器的运行方式将会影响好氧颗粒污泥的形成时间。反应器连续运行、间接性运行方式为微生物提供不同的生长环境，从而影响颗粒污泥的形成时间及生化结构。杨麒利用SBR反应器培养好氧颗粒污泥，从反应器的启动到形成粒径＞0.34 mm的好氧颗粒污泥的时间仅需15 d，成熟的颗粒污泥的平均粒径为0.426 mm［8］。牛姝等采用连续流气提式流化床CAFB（Continuous Airlift Fluidized Bed）培养好氧颗粒污泥，当装置运行到第6 d时，基本完成絮状污泥的颗粒化，其形成的颗粒污泥不但结构紧密，其形态也较稳定［9］。沈耀良等利用合建式连续流完全混合反应器CSTR（Continuous Stined Tank Reactor），以乙酸钠作为主要碳源，以人工配水为进水，污水处理厂浓缩污泥作为反应器的接种污泥，在培养过程中在逐步缩短反应器的沉淀时间，反应器运行至44 d，反应器中出现了淡黄色的颗粒污泥，粒径在0.5～2.0mm［10］。由此得出，不同的反应器运行方式将为污泥的颗粒化提供不同的运行条件，运行条件的不同对好氧颗粒污泥初期培养有一定的影响。

1.2 水力条件

反应器的水力条件将为反应器提供高度选择的环境，将不适宜、生长极少、沉降性能差的微生物排出反应器，从而可以富集优选出具有良好特性的微生物群体。SBR反应器可通过改变沉降时间、搅拌转速，在反应器中形成选择压，当沉降时间短时，可将沉降性不好、悬浮微生物排出于反应器之外，使此类微生物得到抑制，而且SBR分阶段的运行条件促使各阶段运行过程中对微生物的优选，促进颗粒污泥的形成并影响其生物脱氮除磷效果。水力停留时间不同会影响颗粒污泥内部形态发生变化。王强等以葡萄糖为碳源，以普通絮状活性污泥作为接种污泥，在SBR中通过控制操作条件以控制不同的选择压可以有效促进活性污泥的颗粒化［11］。化学需要量COD（Chemical Oxygen Demand）负荷、沉降时间及水流剪切力是SBR反应器中形成好氧颗粒污泥的重要影响因素，通过提高COD负荷，增大水流剪切力以改善微生物的传质条件，控制沉降时间造成选择压，不断从反应器中排除分散污泥及沉降性差的絮状污泥，最终促使好氧颗粒污泥的形成。王昌稳等利用SBR反应器，采用人工模拟废水启动反应器，以实验室厌氧—缺氧—好氧AAO（Anaerobic-Anoxic-Oxic）反应器的剩余污泥为种泥，在好氧颗粒污泥的培养过程中将开始的沉淀时间由10 min减少到7 min，再减少到3 min，污泥的颜色随着培养时间的延长由褐色逐渐变为浅黄色，最终从反应器中筛分出粒径为0.63 mm的成熟好氧颗粒污泥［12］。Szabó等在实验室条件下，利用SBR反应器主要研究了在启动阶段沉降时间对颗粒化的影响，结果表明：在启动阶段及培养的前15 d通过逐渐控制沉降时间，可促进污泥的颗粒化［13］。培养好氧颗粒污泥时应该将水力停留时间作为关键运行参数，逐渐减短的沉淀时间可有效的促进活性污泥颗粒化。

1.3 载体

基于“晶核假说”，有学者通过在反应器中投加载体，加快了好氧颗粒污泥的形成［14］。投加的无机载体可作为颗粒污泥的核心，微生物粘附于核心，从内向外形成厌氧／缺氧／好氧区域，污泥也将从絮状逐渐变成球状，最终形成好氧颗粒污泥。

高景峰等在利用SBR反应器培养好氧颗粒污泥时，在反应器启动初期，投加反应器有效体积1%的颗粒活性炭，当反应器运行至第4 d时，筛分出颗粒污泥，将其进行X射线能谱分析，结果表明：AGS（Aerobic Granular Sludge）核心炭的含量较高，推断出AGS核心的惰性物质为颗粒活性炭，并得出惰性物质在一定程度上有助于颗粒污泥的形成的结论［15］。王亚利等在SBR反应器在不同时段在2.4 L容器中投加1 g的聚合氯化铝，与不投加聚合氯化铝的反应器相比，前者培养出的颗粒污泥具有培养时间短，形状规则，粒径分布均匀，结构紧凑，机械强度好，对污染物去除程度高，沉降性能好的特点，提取颗粒污泥中的胞外多聚物 EPS（Extracelar Polymeric Substances），对其进行多糖及蛋白质含量分析，结果表明：投加聚合氯化铝有助于污泥颗粒化过程中形成EPS，其中的蛋白质比多糖更具优势，进一步的促进污泥的颗粒化［16］。Corsino等采用连续流膜反应器培养好氧颗粒污泥，污水处理厂的絮状污泥在膜反应器中，附着在膜上，在曝气提供的水力剪切力的条件下，污泥从膜上脱离，形成颗粒状污泥［17］。王荣昌等利用悬浮载体生物膜反应器培养生物膜诱导颗粒污泥的产生，在反应器运行15 d时，载体上形成成熟的生物膜，当反应器运行至20 d时，反应器中形成球状，粒径在2～5 mm大小的白色绒毛颗粒污泥，实验表明，载体上形成的生物膜可在一定的条件下，形成颗粒污泥［18］。Liu等采用连续流气提式反应器研究好氧颗粒污泥，进水中投加一定量的碳酸钙可有效改善污泥的沉降性能［19］。由此推断，投加惰性物质不但可以为污泥提供附着点，并能有效的改善污泥的沉降性能，促进污泥颗粒化。

1.4 进水基质

进水中的氨氮（NH3－N）、COD、总磷 TP（Total Phosphorus）及其它营养物质的浓度，影响培养初期污泥颗粒化的形成时间、颗粒污泥微生物优势菌种的生长、成熟颗粒污泥的运行的稳定性，因此分析其进水水质中各有机物的浓度，有利于颗粒污泥的形成及稳定化的研究。

钱飞跃等利用SBR反应器，以异养颗粒污泥作为接种污泥，协同调控进水碳、氮负荷，先提高水中的碳氮比，再逐渐的减少水中有机碳源的量，最终成功的培养出了具有亚硝化功能的自养型颗粒污泥［20］。高景峰等分别以葡萄糖、蛋白胨、醋酸钠、生活污水、啤酒、垃圾渗滤液等作为碳源分别培养颗粒污泥，从颗粒污泥的形状来看，以葡萄糖作为碳源的颗粒污泥表面有大量的丝状细菌，为膨胀的颗粒污泥；以醋酸钠作为碳源，颗粒污泥结构较密实，颗粒污泥的形状较规则；以生活污水作为碳源，颗粒结构非常密实，颗粒形状较规则；以啤酒作为碳源颗粒污泥表面空隙较大，形状规则［21］。碳源对颗粒污泥的结构有一定的影响但并不能推断为主要影响因素，进水基质中的碳源浓度会影响颗粒污泥的结构，水中的硝酸盐浓度对污泥的颗粒化时间有一定的影响。Wei等以300～1000 mg／L的高浓度的氨氮为唯一氮源和能源时，可逐步的提升颗粒污泥的亚硝化能力，并可以降低反应器的启动难度［22］。Long等采用循环流反应器，研究有机负荷率对好氧颗粒污泥的形成影响时发现，当水中的有机负荷为15 kg／（m3·d）时，好氧颗粒污泥能够维持紧密的结构，但当提高至18 kg／（m3·d）时，因为颗粒污泥的内核不稳，颗粒污泥发生解体现象［23］。Liu等在培养颗粒污泥的进水基质中投加碳酸盐，结果表明：基质中投加了碳酸盐的颗粒污泥的粒径要大于不投加的颗粒污泥的粒径［24］。

1.5 胞外多聚物

在颗粒污泥的形成过程中，胞外多聚物在絮状污泥的凝聚过程中起很重要的影响。EPS主要由蛋白质与多糖组成，是微生物生长过程中分泌的一种结构复杂的的有机大分子［25］。有研究表明，依附于细胞壁上的EPS对微生物传质有影响，当反应器运行于无基质条件下时，粘附于微生物细胞壁上的EPS由大分子变为小分子，最终完全矿化，污泥解絮，粘附于细胞壁上的EPS具有较高的粘附力，反应器运行条件影响污泥中EPS的含量，从而影响颗粒污泥的形成时间［26］。Corsino等在研究中发现，将反应周期由6 h变为12 h后，延长了反应器中的污泥的饥饿时间，可促使EPS的含量增加，较长的饥饿时间有利于提高微生物储存能源物质的能力［27］。以不同类型的有机物作为碳源培养颗粒污泥，不但会对颗粒污泥的生物结构产生影响，而且影响细胞壁上EPS的酸碱性。Pronk等以醋酸钠作为碳源，当反应器的运行温度为35℃时，粘附于细胞壁上占主导作用的EPS呈酸溶解性［28］。

对好氧颗粒污泥研究发现，EPS不但影响着好氧颗粒污泥的形成时间，对难降解污染物的生物降解也起着重要的作用。Dong等将成熟的好氧颗粒污泥作用生物吸附材料用于研究EPS在其吸附过程中的作用，颗粒污泥对亚甲蓝的去除率为80.72%，其中 EPS起着重要作用［29］。

对于好氧颗粒污泥，从反应器运行方式、水力条件及载体、进水基质、胞外多聚物等主要的影响因素来看，水力停留时间和进水基质对颗粒污泥的形成影响最大。在培养初期，水力停留时间影响颗粒污泥的形成时间，并有助于优选出良好沉降性能的颗粒污泥。因此，建议在培养初期，可将沉降时间设计成一定的梯度，用于提供不同的选择压促进污泥的颗粒化；进水基质的不同，影响微生物的聚集情况，进一步的影响污泥的内部结构，因此在培养初期可将COD容积负荷控制在高负荷，但不应高于18 kg／（m3·d），待颗粒污泥生长稳定可逐步降低；在颗粒污泥的培养过程中，可以选择惰性物质作为微生物附着载体，进一步促进颗粒污泥的从内到外的厌氧／缺氧／好氧的微环境的形成。EPS一直作为颗粒污泥形成机理研究的主要组成部分，基于“胞外多聚物假说”［30］，EPS根据进水基质的不同从而形成亲水性或者疏水性，这对微生物的聚集状态有很大的影响，也对颗粒污泥的粒径产生影响，EPS的分泌将会影响好氧颗粒污泥的表面结构的空隙，从而影响营养物质的传质。

2 好氧颗粒污泥稳定运行研究

好氧颗粒污泥在长期运行过程中容易出现污泥解体的现象，如何使其稳定运行，从运行方式及外加载体2个方面进行研究表明：外加载体可增强颗粒污泥内部结构的稳定性，运行状态实时控制影响颗粒污泥的整体结构的稳定性。

从污泥本身运行稳定性的研究来看，零价金属离子与无机物有助于污泥的颗粒化。魏燕杰等利用SBR反应器培养颗粒污泥，当R1不投加粉末活性炭，而R2中投加粉末活性炭时，R2运行至40 d，反应器内出现粒径为0.36～0.69 mm且结构紧密的颗粒污泥，与R1反应器相比，R2反应器颗粒化所需时间长且粒径小，但是结构紧密，且不易解絮，稳定程度高于R1［31］。投加粉末活性炭不会改变污泥的化学性状，但有助于颗粒污泥形成紧密的结构。Liu等在好氧颗粒污泥稳定化研究中发现，颗粒污泥长期运行易造成颗粒污泥解体，可投加聚合氯化铝以促进污泥再聚集，再形成的污泥相比解絮前，具有粒径更大、结构更加紧密、对污染物的去除效果更好的特点［32］。可以推断，当颗粒污泥解体时，可以考虑投加聚合氯化铝作为促进污泥形成的药剂，但聚合氯化铝的过量投加会影响污泥的生物活性，应此选择适宜的浓度及投加方式。Xin等利用连续流生物反应器研究好氧颗粒污泥的形成机理时，投加钙盐，EDS显示出钙在颗粒污泥中有积累，利用X射线衍射分析，钙存在的主要形式有碳酸钙、焦磷酸盐钙、磷酸四钙等，钙在污泥中主要以无机磷酸钙的形式存在，它能够改善颗粒污泥的稳定性［33］。汪浩东利用间歇式气升内循环反应器SBAR（Sequencing Batch Airlift Reactor），在研究颗粒污泥稳定化运行时发现，进水中氨氮的浓度，对好氧颗粒污泥的结构有很大的影响，好氧颗粒污泥的轮廓及结构会随着水中氨氮浓度的升高而变化，水中的丝状菌数量也会随之发生变化。进水水质中的氨氮浓度逐渐增多，伴随着好氧颗粒污泥的结构逐渐松散，进行镜检，发现出水中丝状细菌的量也逐渐的增多［34］。当水中的氨氮含量升至80 mg／L时，好氧颗粒污泥由原来紧密结构开始松散，最终解体，而且出水中的丝状细菌大量繁殖，出水由开始的澄清变为糊状，污泥沉降性能极差。说明氨氮的浓度会影响颗粒污泥的稳定性，过高的氨氮含量会使颗粒污泥失稳。Lochmatter等利用SBR反应器进行颗粒污泥的稳定化研究过程中提出：在好氧阶段将DO高低浓度交替运行，保证温度维持在20℃，pH值在适宜水平可有效保证颗粒污泥的稳定运行［35］。Corsino等长期运行反应器，研究发现：EPS可影响颗粒污泥的有机物质的传输，胞外多聚物可以有效的改善传输孔道，维持颗粒污泥对有机物的去除率的稳定［36］。

反应器的运行过程的稳定性控制有助于对好氧颗粒污泥的稳定。Kishida等研究表明颗粒污泥运行的状态的实时监测是很有必要的，在监测过程中通过监测水中DO、pH值的变化来判断硝化与反硝化阶段，改变沉降时间和循环周期促使颗粒污泥形成同步脱氮除磷环境，成熟颗粒污泥可使出水水质中氨氮、磷酸盐、硝态氮及亚硝氮的含量在0.3 mg／L以下［37］。运行阶段的实时监测技术，能够及时观察反应器的运行状态，可及时调整反应参数及周期，可从侧面有助于反应器的稳定的运行。

3 好氧颗粒污泥在污水处理过程中的应用

污水中的污染物主要依靠以一定的形态结构聚集的微生物的新陈代谢功能从水体中去除。好氧颗粒污泥具有结构紧密，沉降性能好，对有机物的冲击负荷应变能力强且对有毒物质的生物降解能力强，不会引起污泥膨胀等优点。城市污水处理过程中，普通的活性污泥法生物脱氮除磷效果受到各方面的限制，出水水质较难达到一级A水平，好氧颗粒污泥依靠其自身良好的好氧／缺氧／厌氧微环境，在实现同步硝化反硝化的同时，也可进行反硝化除磷，可有效的改善生物脱氮除磷竞争碳源及污泥龄不同的问题。好氧颗粒污泥优良的生物降解性能及生物吸附作用可用于处理有机废水、印染废水、医疗废水，好氧颗粒污泥在处理易降解有机物、难降解有机物、氨氮、磷、重金属离子等方面都表现出良好的去除效果。

3.1 去除易降解和难降解有机物

对易降解或难降解有机物，成熟的好氧颗粒污泥都表现出良好的降解功能。France等利用SBRS反应器培养出的好氧颗粒污泥，处理城市印染废水中的耦氮印染废水，结果显示，成熟的好氧颗粒污泥对COD的去除率达80%～90%；在污泥培养周期的第14 d，颗粒污泥对耦氮印染废物的生物去除率达63%，第77 d，对其生物降解率高达92%［38］。为了了解好氧颗粒污泥在有毒环境下的稳定情况，Dai等在SBR初始运行时，投加苯胺，虽然苯胺会对颗粒污泥的结构、生长速率产生一定的影响，但是，在随后的时间里微生物通过改变自身的絮凝结构方式可将有毒物质生物降解，并发现好氧颗粒污泥对苯胺的去除率达到90%以上［39］。

3.2 去除废水中的氨氮

普通的活性污泥对水中的氨氮具有良好的去除效果，但是反硝化性能并不是很理想，然而好氧颗粒污泥具有同程硝化反硝化能力，不但对氨氮具有良好的去除效果，而且对硝态氮及亚硝氮也表现出了良好的去除性能。Suja等利用SBRS反应器培养出好氧颗粒污泥，分析其化学特性，对水中的硝酸盐去除率达77%～88%，氨氮去除率为66%～90%，颗粒污泥中的胞外多聚物有助于对硝态氮的去除，但水中有机物的快速去除，会使其缺乏电子供体，从而影响硝化与反硝化过程，好氧颗粒污泥对钙的累积有助于水中磷的去除［40］。Chen等研究SBR反应器的运行方式发现，颗粒化污泥对于氨氮的去除率达90%以上［41］。Morales等利用SBR反应器处理猪的粪浆时发现，当碳氮比为 1.4～6.3 kgCOD／（m3·d）、0.5～2.5 kgN／（m3·d）和 1.9～9.49 COD／（g·N）时，好氧颗粒污泥的物理性状保持稳定，并且对有机物及氨的去除率达61%～73%和56%～77%［42］。Ren等利用 GSBR（Granular Sequencing Batch Reactor）反应器处理垃圾渗滤液，结果表明，颗粒污泥对氨氮的去除率达90%～100%，同程硝化反硝化在脱氮过程中起着重要作用［43］。

3.3 去除废水中的磷

普通的活性污泥处理工艺，因为硝化菌与聚磷菌污泥龄之间的矛盾，生物除磷效果难以提高。而好氧颗粒污泥内部厌氧、外部好氧这一特殊结构，使得除磷效果比普通污泥得到了很大的提高。高景峰等利用SBR反应器，以污水厂剩余污泥作为种泥，实际污水作为进水培养颗粒污泥，磷酸盐（）的去除率达99.68%，出水中可达0.02 mg／L［44］。张小玲利用SBR反应器培养出的聚磷颗粒污泥，对PO34－去除率达94.5%［45］。Olivier等利用AGS－SBR反应器，通过更改沉降时间由长到短再由短到长，联合两个高浓度污泥的污泥床优选出含45%的聚磷菌，最终使得对磷的去除率达90%。由此可见，好氧颗粒污泥对磷的生物降解性能较强［46］。

3.4 对金属离子的吸附作用

与普通絮状相比，颗粒污泥中EPS的含量比普通污泥高，EPS的生物吸附能力也较强，可将好氧颗粒污泥作为一种生物吸附剂，用于去除水中的金属。Xu等研究好氧颗粒污泥对溶解性铜离子（Cu2＋）及锌离子（Zn2＋）的吸附作用，表明好氧颗粒污泥对溶解性 Cu2＋、Zn2＋的吸附量分别为 246和 180 mg／g，说明其对溶解性金属离子具有高效的生物吸附作用［47］。好氧颗粒污泥不但可以作为生物团体降解水中污染物，还可以作为生物吸附剂吸附金属离子，水中的金属离子可随剩余污泥的排放排出反应器。

3.5 在实际工程中的应用

目前，好氧颗粒污泥在实际工程中的应用较少，从已建成的水厂情况来看，工艺的选择以间歇式的运行为主。Nereda®工艺在2005—2012年期间已在9座污水处理厂中应用，此工艺在颗粒污泥在工程中的应用起到了良好的引导作用，使得颗粒污泥在工程应用成为现实［3］。Pronk等分析以好氧颗粒污泥为主体工艺的序半连续反应器SFBP（Sequencing Fed Batch Process）工艺，此工艺中培养好氧颗粒污泥，水厂的年处理量为2700万m3，好氧颗粒污泥工艺承担2.86万m3／d的处理量，占水厂日处理量的41%，根据全年数据显示，好氧颗粒污泥对于水中总氮的去除率达83%，说明颗粒污泥在实际工程规模中运行效果良好［48］。此工艺一经应用，从处理水质到其经济效益等方面，都有极其重要的推广价值。

4 展望

好氧颗粒污泥的培养已经得到了大量的研究，但是好氧颗粒污泥的形成和稳定化运行体系都比较苛刻。好氧颗粒污泥与普通絮状污泥相比，对有机物、氨氮、TP都有更好的去除效果，从研究者实验室研究状况来看，序批式反应器更容易培养出颗粒污泥，间歇式培养式培养的颗粒污泥结构较为密实、稳定性良好，而用连续流培养好氧颗粒污泥的启动时间比较长，且好氧颗粒污泥形成的颗粒污泥粒径较小，稳定性差。好氧颗粒污泥污泥在实验室范围下表现出了诸多优点，日后的研究可考虑以下几个方向：好氧颗粒污泥形成机理的确切模型；连续流反应器启动阶段的污泥严重的流失问题；颗粒污泥运行稳定性差，易出现污泥解体的现象。

好氧颗粒污泥作为普通活性污泥的替换工艺，AGS可通过生化作用高效的降解或者吸附水中的污染物，与普通活性污泥法相比，处理污水时的能耗、药耗低，但因其不能快速获得，影响颗粒污泥的在工程中的大范围应用。将好氧颗粒污泥用于实际工程时，采用序批式工艺时，可借鉴Nereda®工艺的运行方式。好氧颗粒污泥的快速培养方法还需进一步的优化，稳定会运行参数还在进一步的调试之中，解决这2个问题将会推动颗粒污泥在实际工程的应用。

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